교류발전기 권선온도

묘하게도 비슷한 일들이 여기저기서 거의 유사하게 발생하는 것을 보면 통계학이라는 것과 구조적 결함이라는 것을 떠올리지 않을 수 없는 것 같습니다. A라는 회사에서 어떤 결함이 발생하였으면 B라는 회사의 유사한(제작사가 다른 경우임에도) 기기에서 어김없이 동일한 결함이 발생하는 것을 보면 신기하기까지 합니다. 그래서 이곳저곳에서 동일하게 발생한 결함(fault, incident, 사고) 사례를, 그리고 약간의 이론을 포함해서, 발전기 고정자권선 온도(전기자권선)과 관리에 대한 설명을 드리고자합니다. 이 내용을 간단하게 정리하는 것은 쉽지 않는데, 이 권선온도에 영향을 미치는 요소가 너무 많아 한 페이지 블로그로 정리한다는 것은 무리가 있습니다. 수십번에 걸쳐서 고정자권선에 대해서 정리가 필요하고요, 오늘은 할 수 있는 만큼만 하도록 하겠습니다. 

잘 아시는 것 처럼 673MVA(500MW, 22kV) 대용량 발전기의 경우 대략적으로 계산하면, 발전기 각 상별로 17,000A정도  큰 전류가 흐르는데, 이 대전류가 흐르면서 권선 저항에 의해 발생하는 열(I squared R, 주울열)은 밀폐된 공간에 수많은 히터를 설치한 것과 동일한 효과를 나타냅니다. 우리가 열에 주목하는 이유는 고정자권선 절연물이 열(온도)에 취약한 구조를 갖기 때문에, 이를 효과적으로 제어해야 고가의 설비를 설계수명까지 사용할 수 있기 때문에 관심을 가지는 겁니다. 이 열을 방출하기 위해서 제작단계에서 충분한 여유를 가지고 설계하면 좋지만, 바로 비용상승이 되기 때문에 제작사는 발주사의 Limit만 맞출 정도로 설계를 하게됩니다. 또한 설계시에 고려대상 중 하나는, 공기냉각발전기의 경우 대기온도인데, 매년 한국의 경우 대기온도가(주변온도) 상승하기때문에 한국에 설치된 공기냉각발전기는 아마도 온도 상승에 의한 발전기 권선 손상이 자주 발생할 가능성이 점점 높아집니다. 이런 배경에 때문에, 발전기 고정자 권선온도는 설계치에 근접할 가능성이 점점 높아지고, 이를 해소하기 위한 방법은 도체면적을 키우거나 냉각을 더 하면 되는데, 실제로는 도체면적은 이미 제작시에 결정되어 있고, 냉각은 약간 접근할 수 있는 방법이 있습니다. 또는 발전기가 발생하는 전력을 줄이면 되지만 이걸 엔지니어링이라고 하기는 어렵고, 급할 경우에 할 수 있는 최악의 방법입니다.

이러한 발전기의 온도변화를 감지하기 위해 발전기는 보통 RTD(Resistance Temperature Detector) 또는 TC(thermocouple)를 사용하여 온도를 측정하며, 이 계측소자들은 고정자권선 슬롯에 위치한 top bar와 Bottom bar사이에 설치되어 있습니다.  대형 수냉각발전기(water-cooled generator)의 경우 물이 흐르고 마지막으로 나오는 곳에 설치TC가 설치됩니다.

■ 절연물이 온도로 인해 손상되는 이유

공기냉각 발전기가 손상을 입는 이유는, 고정자권선 온도가 상승하면서 이로 인하여 권선 절연물에서 산화화학반응을 초래해서 절연물 열적특성이 약화되기 시작하면서, 절연물의 화학적 결합이 약화되는 것 입니다. 아스팔트계 절연물이 아닌 현대식 발전기는 155℃에서 운전하는 경우 3년 수명은 보장받는다고 하는 군요[1]. 온도가 상승함으로써 또 발생하는 문제는 구리와 철심의 팽창계수가 다르다는 것입니다. 구리와 철의 팽창계수는 각각 0.000017, 0.000011로, 구리의 팽창계수가 철보다 더 크므로 더 낮은 온도에 늘어난다는( 또는 같은 온도에서 더 많이 늘어나고(구리의 용융점이 더 낮아 팽창계수가 더 크다))  의미인데, 구리가 온도가 올라감에 따라 절연물이 크랙(crack) 되거나 마모가 되어 절연물이 약화 되거나 손상이 된다는 것이다. 실제로는 절연물이 손상되는 이유는 이외에는 다른 요인들이 많습니다. 아래 그림은 공기냉각발전기의 공기 흐름을 나타내고 있습니다.

 

그리고 여기서 하나 빠지면 안되는 것은 아레니우스 법칙(Arrhenius rate law)으로 "권선 온도가 10℃ 상승할 때 마다 절연물 수명은 50% 감소한다"라는 법칙입니다. 아래 그림에서 처럼 권선온도가 올라가면 수명이 급감하는 것을 알 수 있습니다.

아레니우스 plot(출처:[2])

또한 중요한 한가지는 RTD등으로 온도 측정된 값은 실제 bar온도보다 5-20℃ 낮다는 점을 인식해야 합니다. 

■ 발전기 운전 참고 사항

   - 수냉각 발전기 고정자 권선은 RTD온도는 80℃미만이어야 하며, Top bar와 Bottom bar사이의 온도차는

      10℃이하이어야 한다.

   - 차가운 H2 가스 온도는 40℃이하이어야 한다. 

   - 고정자 철심의 RTD온도는 130℃이하이어야 한다.

■ 발전기 고정자 권선 온도 제한치 기준

   - NEMA MG-1, IEEE std 115 기준에 따르면 발전기 고정자권선 온도는 아래 이하여야 한다. 이는 주위온도 40℃를 기준으로 하며, 만약 주위온도가 이보다 높거나 낮으면 이를 보정해야 한다. 계산식은 Increase in Rise  = {40°C - Marked Ambient} x { 1 – [Reference Temperature – (40°C + Temperature Rise Limit)] / 80℃}

출처 : NEMA MG-1 Part 32(p589) 

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■ 발전기 고정자권선 온도 저감법 사례

권선온도가 100℃관련하여 이슈가 되었던 건이 몇건 있는데, 그중에 문제가 되지 않을 내용을 하나 사례로 소개해 드립니다. 나머지는 보험과 관련되어 복잡해지기 때문에요. 권선온도가 100℃에 근접한 발전기에 대한 대응책이 필요하였는데, 이에 대한 방법으로 회전자에 부착된 냉각팬 각도 변경, 냉각팬 길이변경을 하면 온도를 내릴 수 있는 방법이 됩니다. 그러나 이 방법으로 냉각을 향상하기 위한 정비는 일반 정비회사보다는 제작사에서 설계개념으로 접근하는 것이 리스크를 줄일 수 있는 방법입니다.  

[1] Greg. Stone, Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair, Wiley-IEEE Press, 2004.